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Herausgeber: Ulrich Dorn
Satz & Layout: DTP-Satz A. Kugge, München
art & design: www.ideehoch2.de
eISBN 978-3-645-27074-8
Wer hat als Kind nicht schon einmal davon geträumt, fliegen zu können? FPV-Racing begeistert heute jeden, der sich für schnelle Flugzeuge, Rennevents und Multicopter interessiert. Ist das Fliegen aus der Ich-Perspektive der neue Trendsport? Über den großen Teich herübergeschwappt ist die Faszination FPV-Racing schon längst. Die Drone Racing League ist jedem in der Szene ein Begriff. In geradezu atemberaubender Geschwindigkeit nimmt der Bekanntheitsgrad dieser neuen Sportart zu – nicht zuletzt, weil Experten bereits von der »Formel 1 der Zukunft« sprechen und heute den besten FPV-Piloten schon sechsstellige Gehälter gezahlt werden. Droneracing wird wohl der Techniksport schlechthin werden. Lassen wir uns überraschen und bleiben wir gespannt darauf, was uns noch alles erwartet.
Als vor nicht allzu langer Zeit die ersten FPV-Rennen in Deutschland durchgeführt wurden, hat mich diese Art des Fliegens fasziniert. Die Idee, wie früher in einem Videospiel mithilfe der Multicoptertechnik mit dem eigenen Fluggerät durch einen Parcours zu fliegen, und das nicht virtuell, sondern in der Realität – welch ein genialer Einfall. So befasste ich mich mit diesem Thema und baute meinen ersten FPV-Copter. Das Gefühl, wenn man die Brille aufsetzt, die Fernsteuerung in die Hand nimmt und sich buchstäblich in das Fluggerät begibt und abhebt, ist unvergleichlich. Das macht diesen Sport so faszinierend, denn man fühlt sich frei wie ein Vogel, während man mit High Speed durch den Parcours rast, an Flaggen und Hindernissen vorbei durch das nächste Gate fliegt und den Nervenkitzel spürt, den Copter nicht gegen das nächste Hindernis zu crashen. Und wenn es doch einmal passiert: Forget it – fix it – fly it! Auch das Bauen und Reparieren macht Spaß, und man freut sich wieder auf die nächste Runde.
Die Faszination für das FPV-Fliegen, aber auch das Wissen weiterzugeben, wie solch ein Copter aufgebaut ist, auf was man achten muss und vor allem wie man ihn selbst bauen kann, bewegte mich dazu, dieses Buch zu schreiben. Wieso sollen nicht auch Sie in wenigen Tagen einen eigenen FPV-Racer bauen können? Wer beginnt, der hat schon gewonnen, denn solch einen Copter zu bauen und zu fliegen macht auf jeden Fall eines: sehr viel Spaß. Ich hoffe, Sie für dieses neue Thema begeistern zu können, denn es bereitet viel Freude an der Technik, am Basteln und Bauen und natürlich die Faszination des Fliegens.
Patrick Leiner
Inhaltsverzeichnis
Die Welt der FPV-Rennen
Was ist FPV-Racing?
Die Drone Racing League
Ablauf eines FPV-Rennens
Verschiedene Rennklassen
Was wird alles benötigt?
Einzelteile eines Racecopters
Der Rahmen und seine Bestandteile
Wie der Rahmen aufgebaut ist
Materialanforderungen an den Rahmen
Rahmengröße und Einsatzzweck
Die Motoren
Gleichstrombürstenmotoren
Brushlessmotoren
Innen- und Außenläufer
Kennzahlen von Brushlessmotoren
Wartung von Brushlessmotoren
Der Brushlessregler ESC
Funktionsweise des Brushlessreglers
P-FET oder N-FET — der effiziente Unterschied
SimonK-Software
BLHeli-Software
OneShot125-Protokoll
BEC oder Opto
Ampere (A) — die Belastbarkeit
Spannung (V) und Zellenzahl (S)
UBEC — Spannungsversorgung ohne ESC
PDB — Energieversorgung auf kleinstem Raum
Die Luftschraube
Kunststoff, Glasfaser oder Carbon?
Wichtige Kennzahlen einer Luftschraube
Unterschiedliche Montagemöglichkeiten
Auswahl geeigneter Luftschrauben
H/D-Verhältnis der Luftschraube
Auswahl der Luftschraube
Der LiPo-Akku: Spannung pur
Vorteile von LiPo-Akkus
Kompatibilität der Anschlüsse
Nachteile von LiPo-Akkus
Synchronschwimmen im LiPo-Pack
Aufgebläht! — Achtung, Brandgefahr
LiPos in Zahlen und Fakten
Parallel- und Reihenschaltung
Lagerung und Wartung
Das richtige Ladegerät
Die richtige Leistung des Ladegeräts
Ladegerät mit mehreren Betriebsmodi
Ein eigenes Ladekabel löten
Ladegeräte für mehrere Akkus
Laden mit 12 und mit 230 Volt
Der Flightcontroller
Funktionsweise des Flightcontrollers
Sensoren des Flightcontrollers
Flugposition erfassen und stabilisieren
Ultraschallsensor als Erweiterung
Verschiedene Flightcontroller-Platinen
Die Flightcontroller-Software
Cleanflight
Betaflight
LibrePilot
RC-Fernsteueranlage
Funktionsweise einer RC-Anlage
Lehrer-Schüler-Modus
RC-Anlage für Racecopter
2,4-GHz-Fernsteueranlagen
Die Steuermodi 1 bis 4
PPM, SUMD & Co
Auswahl einer Fernsteuerung
Steuerachsen eines Multicopters
Simulatoren — Fliegen ohne Risiko
Das FPV-System
Komponenten einer FPV-Anlage
FPV-Kamera
FPV-Sender und -Empfänger
FPV-Brillen
Antennentypen und ihre Merkmale
Bauarten von FPV-Antennen
Aufbau eines Racetracks
Parcours voller Hindernisse
Gates durchfliegen
Turnflags für Richtungswechsel
Streckenhütchen zur Abgrenzung
Freestyle-Cube durchfliegen
PID-Werte verstehen und einstellen
Der Aufbau des internen Regelkreises
Der P-Wert
Der I-Wert
Der D-Wert
PID-Werte richtig einstellen
Antriebsleistung und Flugzeit
Grundlegende Berechnungen
Gewichtsberechnung des Copters
Grobe Berechnung des Rahmengewichts
Benötigte Schubkraft ermitteln
Verhältnis von Gesamtgewicht zu Schubkraft
Geeignete Motoren finden
Auswahl einer geeigneten Rotorkombination
Berechnung über eine Kalkulationssoftware
Daten und Parameter der Komponenten
ESC-Auswahl und C-Wert
Maximaler Stromfluss durch den Motor
Flugzeitberechnung durchführen
Gesetzes- und Rechtslage
Gesetze und Versicherung
UAV oder Modellflugzeug?
Modellflugversicherung abschließen
Luftfahrtrecht und Luftraumklassen
Rechtsvorschriften und die neue Drohnen-Verordnung
Ausnahme speziell für FPV-Flieger
Bauen Sie Ihren FPV-Racecopter
Welchen Racecopter möchten Sie bauen?
Bauteileberechnung und Auswahl
Überblick über die benötigten Bauteile
Zusammenbau des Racecopters
1. Den Flightcontroller einsatzbereit machen
2. Einbau des Power Distribution Board
3. Montage der Motoren
4. ESCs auf den Auslegern anbringen
5. Den Akku mit dem PDB verbinden
6. ESCs am Stromverteiler anschließen
7. Den Flightcontroller mit Spannung versorgen
8. Strom für Sender, LEDs und Kamera
9. LED-Streifen am Rahmen anbringen
10. Einbau des Flightcontrollers
11. ESCs in der richtigen Reihenfolge anschließen
12. Montage der FPV-Kamera
13. Empfänger für Montage vorbereiten
14. Montage des FPV-Senders
15. Flightcontroller und Empfänger verkabeln
16. Fernsteuerung auf den Copter einstellen
Fertig machen zum Jungfernflug
Was ist FPV-Racing?
Die Drone Racing League
Ablauf eines FPV-Rennens
Verschiedene Rennklassen
Was wird alles benötigt?
Erfahren Sie in diesem Kapitel alles über das FPV-Racing, die Drone Racing League, aus welchen Dingen eine FPV-Strecke besteht, welche Rennen es gibt und was Sie grundsätzlich benötigen, um in die rasante Welt der FPV-Rennen einzusteigen. FPV-Racing ist der aktuelle Techsport schlechthin. Schnelle Flugzeuge, enge Parcours und die Sicht aus dem Cockpit wie in einem Videospiel – besser geht es nicht. Wenn wir von FPV-Racing sprechen, ist die faszinierende Multicoptertechnik gemeint, bei der der Pilot durch eine Brille das Livebild der Kamera in seinem Copter sieht und diesen live steuert.
Ein unglaubliches Gefühl, denn man sitzt sozusagen selbst im Copter und fliegt mit durch das markierte Tor.
Diese neue Sportart hat sich sehr schnell verbreitet. In den USA und auch in Deutschland gründen sich immer mehr Vereine und Verbände, deren Mitglieder dieses Hobby ausüben. Allerdings trifft in manchen Ligen das Wort Hobby gar nicht mehr zu, denn teilweise werden schon Pilotengehälter im sechsstelligen Bereich gezahlt. Der Trend entwickelt sich also zunehmend zu einem ernstzunehmenden Sport.
FPV steht für First Person View und bezeichnet das Fliegen aus der »Ich-Perspektive«. Es kommen Multicopter zum Einsatz, die mit einer speziellen Kamera und einem Videosender ausgestattet sind und extrem schnell fliegen können. Es handelt sich überwiegend um vierrotorige Quadrocopter. Die kleinen Fluggeräte erreichen Spitzengeschwindigkeiten von bis zu 130 km/h.
FPV-Racecopter im Flug.
Das Livebild der Kamera, die am Copter selbst sitzt, wird ohne Verzögerung an den Piloten am Boden weitergeleitet, der das Videobild durch eine FPV-Brille sehen kann.
Der Parcours mit seinen Hindernissen.
Der FPV-Pilot steuert seinen Racecopter live durch einen Parcours von Hindernissen und Gates, durch die er hindurchfliegen muss. Dabei treten meist sechs Piloten gegeneinander an und duellieren sich in einem echten Drohnenbattle. Ab und an wird das eine oder andere Fluggerät gecrasht, aber genau das macht die Ganze aus – Spaß am Bauen, am Fliegen und auch am Reparieren und Tunen des Flugsportgeräts. Noch schnellere, noch bessere Rundenzeiten – beim FPV-Racing fühlt man sich wie bei der Formel 1.
Da das FPV-Racing gerade ein richtiger Trend wird, ist es nicht verwunderlich, dass bunt beleuchtete, extrem schnelle Racecopter, die durch einen ebenfalls knallbunt beleuchteten Parcours sausen, eine gewisse mediale Wirkung haben. Sehr bekannt wurde die Drone Racing League (DRL). Die Liga hat es geschafft, aus dem einst hobbymäßigen FPV-Fliegen eine Sportart zu machen, die fast weltweit Berühmtheit erlangt hat und deren Rennen in viele Länder übertragen werden – in Deutschland über den TV-Sender ProSieben MAXX.
Blick auf den DRL-Simulator.
Die Drone Racing League ist heute die meistbekannte Rennliga im FPV-Bereich und wächst zusehends. Hier werden den besten Piloten tatsächlich bereits Gehälter bis in den sechsstelligen Bereich hinein gezahlt. Auch viele Sponsoren und Unterstützer wie die Allianz oder Sky Sports sind schon mit an Bord, und ein Ende ist nicht in Sicht. Die Rennevents finden an stilechten Orten statt, etwa in alten und verlassenen Kaufhäusern und Industrieanlagen oder sogar in großen Sportarenen. Die Leistung der in dieser Liga geflogenen Racecopter kann sich auch sehen lassen. Das neueste Modell der Liga – der RACERX – bringt es auf eine Geschwindigkeit von sagenhaften 266 km/h. Wer sich für das Thema interessiert, kann also gespannt sein, was uns in Zukunft noch so alles erwartet.
Der Ablauf eines FPV-Rennens ist fast identisch mit einem richtigen Rennsportwochenende. Die offiziellen Rennen, bei denen sich die Piloten für immer höhere FPV-Rennen qualifizieren können, werden meist an einem Wochenende durchgeführt. Die Rennstrecken, oft auf einem Sportplatz aufgebaut, stehen den Piloten schon zwei bis drei Tage vor der Veranstaltung für Übungsflüge zur Verfügung. Das Rennwochenende selbst besteht aus einem Qualifikationsrennen und dem eigentlichen FPV-Race. Während des Qualifyings fliegen die Piloten nicht gegeneinander, sondern auf Zeit. Die schnellsten Piloten in diesem Zeitrennen qualifizieren sich für das eigentliche FPV-Rennen, sozusagen die Finalrunde.
Im Mainevent eines FPV-Rennens fliegen meist vier Piloten im K.-o.-System gegeneinander, wobei der erste oder die ersten beiden schnellsten Piloten eine Runde weiterkommen und dem Ziel, Champion zu werden, näherrücken. Letztlich fliegen in der letzten Finalrunde die vier schnellsten Piloten gegeneinander und kämpfen um die Krone im FPV-Racing.
Es wäre natürlich ein wenig unfair, wenn Racecopter, egal welcher Leistungs- und Größenklasse sie angehören, gegeneinander antreten würden. Der eine weist mehr Gewicht auf, der andere einen größeren Rahmen, und es gibt viele weitere Merkmale, in denen sich die Racecopter unterscheiden. Aus diesem Grund werden FPV-Rennen in verschiedenen Rennklassen durchgeführt. Dies bezieht sich in erster Linie auf die Rennen, die in Deutschland und Umgebung stattfinden.
In der Königsklasse, der Drone Racing League, existiert nur eine Klasse, in der alle Copter gleich aufgebaut sind. Das bedeutet, alle Copter besitzen exakt die gleichen Leistungs- und Größenparameter. Bei diesen Rennen kommt es also tatsächlich ausschließlich auf das Können der Piloten an. In Rennen wie beispielsweise den German Masters in Bexbach sorgen dagegen verschiedene Rennklassen für eine gewisse Chancengleichheit unter den Piloten, die ähnliche Racecopter über die Rennstrecke jagen. Hier werden die Rennklassen nach Coptergröße oder nach Coptergewicht eingeteilt.
Bei der Größeneinteilung werden die Multicopterrahmen von einem Motormittelpunkt zum gegenüberliegenden vermessen. Für eine Rennklasse wie beispielsweise die 250er-Klasse bedeutet das also, dass der Copter in seiner Diagonale von Motor zu Motor nicht größer als 250 mm sein darf. Auch das Gewicht kann in Klassen unterteilt werden, beispielsweise bis 250 oder 500 Gramm. In einer Liga oder einem Verband können auch mehrere Beschränkungen zusammengeführt werden, was die Auswahl der Copter einschränkt.
Die FAI (Welt Flugsport Verband) hat beispielsweise ein Regelwerk für FPV-Rennen aufgestellt, das beinhaltet, dass die Copter bis maximal 1.000 Gramm wiegen und 330 mm Rahmengröße aufweisen sowie nur im Acro-Modus – ohne Selbststabilisierung – und mit maximal vierzelligen LiPo-Akkus betrieben werden dürfen. Auch die Rotorgröße und weitere Eigenschaften werden dort für die Rennliga eingrenzt. Neben der Einteilung auf Basis von Größe oder Gewicht ergibt sich eine weitere Rennklasse, in der alles offen und nichts beschränkt ist. Diese bezeichnet man als »offene Klasse«. Hier können Racecopter jeder Art teilnehmen. Alle Regelungen der FAI finden Sie unter der URL www.fai.org/ciam-our-sport/drone-racing.
Die FAI macht auch Angaben darüber, wie groß ein FPV-Gate sein darf. Hersteller wie etwa Graupner bieten deshalb für FPV-Rennen spezielle Gates in der entsprechenden Größe an.
FAI-Gate von Graupner.
Um in die aufregende und spannende Welt des FPV-Racings einsteigen zu können, wird natürlich umfangreiches Equipment benötigt, das je nach Qualität und Leistungsanspruch einen kleineren oder größeren finanziellen Aufwand bedeutet. Die Spanne reicht von einem kleinen Low-Cost-Copter für weniger als 200 Euro bis hin zum High-End-Racecopter mit 130 km/h Spitzengeschwindigkeiten, der deutlich über 500 Euro liegen kann. Aber nicht nur der Copter selbst wird für das FPV-Racing benötigt. Um die Spannung eines Copterrennens aus der Ich-Perspektive erleben zu können, gehört auch eine FPV-Anlage sowie eine Fernsteuerung zum Equipment eines Racingpiloten.
Ein Racecopter besteht aus den folgenden FPV-Komponenten:
Rahmen
Motoren
Motorregler
Akku
Flightcontroller (Flugsteuerung)
RC-Anlage
FPV-Kamera
FPV-Sender
Der Pilot selbst benötigt noch eine FPV-Brille zum Empfangen des Videobilds und eine Fernsteuerung.
Da die Piloten durch einen Parcours mit Hindernissen und Gates fliegen, wird natürlich auch das Streckenmaterial benötigt, das auf einem größeren Feld aufgebaut werden kann. Es besteht meist aus Gates zum Durchfliegen, Flaggen, an denen die Flugrichtung gewechselt wird, sowie kleinen Pylonen, die zur Abgrenzung der Strecke dienen.
Gates zum Durchfliegen und Flaggen, an denen die Flugrichtung gewechselt wird, sowie kleine Pylone für die Streckenabgrenzung.
Der Rahmen und seine Bestandteile
Die Motoren
Der Brushlessregler ESC
Die Luftschraube
Der LiPo-Akku: Spannung pur
Das richtige Ladegerät
Der Flightcontroller
Die Flightcontroller-Software
RC-Fernsteueranlage
In diesem Kapitel erfahren Sie alles über die Bauteile eines Racecopters. Jedes Bauteil, vom Rahmen bis zum Motor, wird detailliert erklärt, und es wird darauf eingegangen, wie die Komponenten ausgewählt werden und zusammenpassen.
FPV-Racingrahmen Graupner 16563_Xcell.
Der Rahmen eines Racecopters, auch mit dem englischen Wort »Frame« bezeichnet, ist ein wichtiges und nicht zu unterschätzendes Bauteil, das die gesamten Komponenten des pfeilschnellen Fluggeräts zusammenhält und durch eine geeignete aerodynamische Form seinen Teil zur Geschwindigkeit und Flugstabilität beiträgt.
Im Multicopterbau gibt es viele Möglichkeiten, wie solch ein Rahmen aufgebaut ist oder aus welchen Einzelkomponenten er bestehen kann. In der Regel besteht er bei größeren Multicoptern aus einem Mittelstück, der sogenannten Centerplate, den Armen, an deren Enden die Motoren sitzen (auch Ausleger genannt), und dem Landegestell. Je nachdem, wie groß die Motoren eines Multicopters sind, werden sie mit speziell dafür vorgesehenen Motorträgern an den Auslegern befestigt. Im Bereich der FPV-Racecopter wird in der Regel kein Rahmen verwendet, der aus verschiedenen Einzelteilen zusammengebaut ist, stattdessen besteht er hier aus einem Stück. So werden bei großen Belastungen während eines Rennens keine Schwachstellen (Schraubverbindungen etc.) erzeugt, und der Rahmen ist obendrein leichter.
Racingrahmen-Grundplatte iFlight iX5s aus einem Stück.
Das bedeutet aber nicht, dass für solche Rahmen keine Teile existierten, die angebaut werden könnten. Oft bestehen Racingrahmen tatsächlich aus der eigentlichen Grundplatte und zusätzlich aus Bauteilen, wie Befestigungsaufbauten und Abdeckplatten, die für die Montage weiterer Bauteile gedacht sind, wie Flightcontroller, Akku oder FPV-Kamera, die ebenfalls untergebracht werden müssen. Hierfür werden am Hauptrahmen kleine Aufbauten verschraubt, die zum einen die nötigen Elektronikbauteile an ihrem Ort fixieren, zum anderen bei einem durchaus möglichen Absturz die Komponenten etwas schützen.
Der Rahmen eines FPV-Racecopters muss während des Flugs großen Belastungen und G-Kräften standhalten. Aus diesem Grund bestehen die meisten hochwertigen Frames aus einem extrem leichten und hochstabilen Kohlenfaserverbundwerkstoff, auch CFK genannt.
Frame aus Sandwich-Carbon.
CFK
Carbonfaserverstärkter Kunststoff (CKF) ist ein Allroundtalent. Er hat eine annähernd so hohe Zugfestigkeit wie Stahl, weist aber lediglich ein Fünftel der Dichte auf, ist also fünfmal leichter, und das ist enorm. CFK wird oft dort eingesetzt, wo sehr wenig Abfluggewicht gefordert ist, oder in sehr großen Multicopterkonstruktionen. Da dieses Material jedoch aufgrund der Herstellungstechnik und der Materialpreise sehr teuer ist, kann ein größerer Multicopterrahmen schon einmal deutlich über 1.000 Euro kosten. Racingrahmen bestehen fast ausschließlich aus CFK und kosten zwischen 30 und 100 Euro.
Dieses Material vereint die spezifischen Eigenschaften, die generell in der Luftfahrt und der Flugzeugkonstruktion benötigt werden. Im Vergleich zu anderen Materialien besticht CFK durch hohe Stabilität bei gleichzeitig geringem Gewicht. Die Dichte eines Materials – auch als spezifische Dichte bezeichnet – gibt an, wie schwer ein Material bezogen auf ein bestimmtes Volumen ist. Die Zugfestigkeit bezeichnet die im Material maximal mögliche Spannung. Das Zug-E-Modul (Elastizitätsmodul) gibt die Steifigkeit des Materials an.
Die Größe der Rahmenkonstruktion beeinflusst maßgeblich die späteren Flugeigenschaften einer Drohne. Eine Maßzahl dafür ist der sogenannte Achsenabstand. Er gibt die Entfernung von dem einen Motormittelpunkt (Motorwelle) bis zum gegenüberliegenden Motormittelpunkt an. Ist also die Rede von einem 40er-Rahmen, hat er einen Achsenabstand von 40 cm.
Grob gesagt, können wir feststellen: Je kleiner der Rahmen ist, desto sportlicher fallen die Flugeigenschaften aus, je größer der Rahmen ist, desto stabiler fliegt der Copter später. Dies gilt allerdings nur bis zu einer gewissen Größe, ab der der Copterrahmen so instabil wird, dass sich die Flugeigenschaften rapide verschlechtern. Kunstflugtaugliche und sportliche Drohnen haben einen Achsenabstand von ungefähr 10 bis 30 cm.
Gutmütige und anfängertaugliche Flugcharakteristika haben Copterrahmen mit einem Achsenabstand von 30 bis 60 cm. Wird eine größere Kameradrohne für ruhige und stabile Foto- und Filmaufnahmen benötigt, kann ein Rahmen von 60 bis 100cm gewählt werden. Im Bereich des FPV-Racings werden überwiegend Rahmen mit einer Größe von zwischen 10 bis 30 cm eingesetzt. Dies hat zum einen mit den Flugeigenschaften solch eines kleinen Copters zu tun, zum anderen geben die Regularien der Rennveranstalter oder des Flugverbands FAI gewisse Rahmengrößen und Gewichtsgrenzen vor, die erfüllt werden müssen, um an einem FPV-Rennen teilnehmen zu dürfen.
Eine spezielle Eigenschaft einiger kleiner FPV-Rahmen besteht darin, dass sie ihr eigenes PDB (Power Distribution Board), also ihren Stromverteiler, im Rahmenboden integriert haben. Das bietet natürlich gerade bei sehr kleinen Rahmen den Vorteil, dass man alle Kabel direkt dort anschließen kann, wo sie benötigt werden, und nicht komplett über den Rahmen verlegen werden müssen. Manch ein Rahmen hat sogar direkt an den Auslegern Anschlüsse für Motoren und ESCs, sodass nicht einmal diese Bauteile nach innen verkabelt werden müssen. Nachteil dabei ist aber sicherlich, dass bei einem Absturz oder einem Riss in der Grundplatte die elektrischen Verbindungen getrennt werden und nicht mehr zu reparieren sind.
Die Motoren eines FPV-Racecopters sind neben dem Flightcontroller die wichtigsten Bauteile, die es auszuwählen und einzubauen gilt. Die Motoren des pfeilschnellen Copters wandeln die elektrische Leistung des Akkus in pure mechanische Bewegungsenergie um und sorgen dafür, dass das Fluggerät mit einer entsprechenden Luftschraube Geschwindigkeiten von bis 130 km/h erreichen kann. Um solche Geschwindigkeiten auch tatsächlich umsetzen zu können, wird zudem die richtige Luftschraube benötigt. Widmen wir uns zuerst den einzelnen Motoren.
Heute kommen im Flugmodellbau und besonders im Multicopterbau fast ausschließlich bürstenlose Motoren, die sogenannten Brushlessmotoren, zum Einsatz.
Bis vor wenigen Jahren noch wurden im Flugmodellbau ausschließlich Bürstenmotoren eingesetzt. Sie kommen zwar heute immer noch in manchen Modellen zum Einsatz, haben aber gegenüber Brushlessmotoren einen großen Nachteil. Wie der Name schon sagt, besitzen Bürstenmotoren sogenannte Kohlebürsten (engl. Brush), die den Strom auf den sich drehenden Rotor übertragen. Der Motor besteht aus mehreren Bauteilen, die zusammenwirken, um eine Drehung zu erzeugen: aus einem stehenden Teil, dem Stator, und einem rotierenden Teil, dem Rotor. Außen am Stator befinden sich Permanentmagnete in abwechselnder Polung. Der Rotor besteht aus dem sogenannten Anker, der seinen Namen seiner Form verdankt, um den sich außen herum Kupferwicklungen (Spulen) befinden.
Wirkprinzip eines Bürstenmotors.
Fließt nun ein Strom durch die Spulen des Ankers, entsteht ein magnetisches Feld, das einen Nord- und einen Südpol hat. Die Ausrichtung der Pole orientiert sich immer an der Stromrichtung. Um eine Drehung des Rotors zu erzeugen, muss die magnetische Ausrichtung der stromdurchflossenen Kupferspulen immer genau so gerichtet werden, dass durch Abstoßen und Anziehen der Magnetfelder zwischen Rotor und Stator eine permanente Drehung erzeugt wird. Das Problem besteht darin, die Umpolung der Kupferspulen zu gewährleisten.
Dafür wird ein sogenannter Kollektor – auch Kommutator genannt, abgeleitet vom lateinischen Wort commuto = umwandeln – verwendet. Er sorgt dafür, dass die Stromrichtung und somit die magnetische Wirkrichtung während der Rotation fortlaufend gewechselt wird. Deshalb wird dieses Bauteil auch Stromwender genannt. Der Strom muss von einem stehenden Teil auf den sich drehenden Kommutator übertragen werden. Dafür werden die angesprochenen Bürsten benötigt. Sie bestehen aus Grafit und liegen über eine leichte Federspannung mechanisch am Kommutator an.
Kohlebürsten – Verschleißteil Nummer eins
Die Bürsten eines Gleichstrommotors bestehen aus Grafit, deshalb werden sie auch Kohlebürsten oder einfach Kohlen genannt. Das ist der größte Nachteil von Bürstenmotoren. Die Bürsten sind Verschleißteile und senken die Effizienz der Motoren. Funken können an dieser Stelle überschlagen und die restliche Modellelektronik stören. Da ein Multicoptermotor während des Flugs einer Dauerbelastung ausgesetzt ist, würden die Bürsten sehr schnell verschleißen.
Brushlessmotoren unterscheiden sich in einem ganz wesentlichen Aspekt von Bürstengleichstrommotoren. Wie der Name schon sagt, kann bei der Bauweise dieser Motoren auf die verschleißbehafteten Bürsten verzichtet werden (daher auch der Name brushless = bürstenlos). Da die Bürsten beim Dauerbetrieb eines Multicopters schnell das Zeitliche segnen, ist die Entwicklung der bürstenlosen Brushlessmotoren durch die Verbreitung der Multicopterfluggeräte erst so richtig in Schwung gekommen.
Brushlessmotoren in Reihe.
Der Grund dafür, dass der Brushlessmotor keine Kohlebürsten für die Stromübertragung benötigt, besteht darin, dass er den Stromrichtungswechsel am Stator vollzieht und somit kein Strom auf den sich drehenden Rotor übertragen werden muss. Die stromdurchflossenen Kupferspulen befinden sich im Stator. Auf dem Rotor finden sich die Permanentmagnete, die meistens aus Neodym bestehen.
Wirkprinzip eines Brushlessmotors.
NEODYM
Neodym ist ein Element in unserem Periodensystem. Es zählt zu den sogenannten seltenen Erden. Magnete, die daraus hergestellt werden, gehören zu den stärksten der Welt.
Drehstrom
Wechselstrom, der über drei Phasen realisiert ist, wird auch Drehstrom genannt. Er bewirkt, dass sich der Rotor drehen kann. Für die Wechselstromansteuerung der drei Phasen wird jedoch eine spezielle Elektronik benötigt. Diesen Part übernehmen die ESCs (Electronic Speed Controls), auch Brushlessmotorregler genannt. Die Details zu ihrem Aufbau und ihrer Wirkweise werden im nächsten Abschnitt erklärt.
Wo Licht ist, ist auch Schatten, und so hat der Brushlessmotor nicht nur Vorteile, sondern auch Nachteile. Wie auf dem Bild zu erkennen ist, benötigt er drei Phasen statt wie der Bürstenmotor zwei Phasen. Sie sind um 120 Grad versetzt und führen im Betrieb einen Wechselstrom. Somit werden die Stromrichtung und die dadurch entstehende magnetische Wirkrichtung geändert.
Innenläufer-Brushlessmotor – Graupner 420i.
Brushlessmotoren können in zwei verschiedene Bauarten unterschieden werden: Innenläufer und Außenläufer. Innenläufer haben die Eigenschaft, dass der stehende Teil (Stator) außen ist und der innere Teil sich dreht (Rotor). Dies entspricht dem Prinzip der älteren Bürstenmotoren. Bei einem Außenläufer verhält es sich genau umgekehrt. Der sich drehende Teil befindet sich außen, der fest stehende innen. Wegen ihrer Kennzahlen werden in Multicopterdrohnen meist Außenläufer eingesetzt.
Außenläufer-Brushlessmotor – T-Motor© MN3508-29 KV380.
Außenläufer haben meist eine kleinere KV-Zahl als Innenläufer, weshalb sie langsamer drehen. Aufgrund dieser Eigenschaft werden Außenläufer meist als Direktantrieb, ohne Getriebe, verwendet und sind als Antrieb für einen Multicopter bestens geeignet.
Das Wichtigste bei der Auswahl eines Brushlessmotors sind die Kennzahlen, die den Motor definieren. Hier werden Sie mit Zahlen und Buchstaben wie KV-Zahl, MN2208 oder auch 12N14P konfrontiert. Um den richtigen Motor für Ihr eigenes Multicopterprojekt finden zu können, müssen Sie erst einmal wissen, was diese Kürzel bedeuten, denn meist stecken sogar die Maße des Motors in seinem Namenskürzel und können dabei helfen, den richtigen Motor auszuwählen.
Die wichtigste Kennzahl ist die sogenannte KV-Zahl. Die KV-Zahl eines Brushlessmotors beschreibt die Drehzahl des Motors in Bezug zur Spannung. Das bedeutet so viel wie die konstante (K) Drehzahlerhöhung pro angelegtes Volt (V). Hat also ein Motor ein KV-Wert von 2300, ergibt sich bei einer angelegten Spannung von 10 Volt eine Leerlaufdrehzahl von 23.000 Umdrehungen pro Minute.
Eine hohe KV-Zahl bedeutet aber nicht, dass der Motor mehr Power hat. Im Gegenteil: Je höher die KV-Zahl ist, desto schneller dreht der Motor bei der gleichen angelegten Spannung. Je schneller er allerdings dreht, desto weniger Drehmoment kann er erzeugen, und desto stärker sinkt diese Geschwindigkeit, wenn eine Luftschraube montiert ist. Der Grund liegt in der Anordnung der Permanentmagnete des Motors, was weiter unten noch genauer erläutert wird.
Viele Motoren sind mit weiteren Kennzeichnungen wie »MN« oder »1806« versehen. Das sind zum Teil allgemeingültige Angaben, mit denen die Größe des Motors direkt ausgedrückt wird und die die Vergleichbarkeit von Motoren verschiedener Hersteller ermöglichen, sofern diese sich nach der allgemeinen Kennzeichnung richten.
Emax-PM1806-Motor mit Maßangaben.
Drehzahlangabe ohne Last